3D打印技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

金宇

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國的科學(xué)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其中3D打印技術(shù)自傳入我國后就在航天產(chǎn)品、醫(yī)療器械以及汽車生產(chǎn)中得到了普及應(yīng)用，該技術(shù)進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域后直接顛覆了傳統(tǒng)的機(jī)械制造，在零件和部件的加工和制造過程中發(fā)揮著十分重要的作用，有效的提高了生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，因此成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中廣大企業(yè)爭相推廣應(yīng)用的重要技術(shù)手段。基于此，本文就3D打印技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

Abstract： After entering the 21st century， China's science and technology have developed rapidly， among which 3D printing technology has been widely used in aerospace products， medical devices and automobile production since it was introduced into China. After entering the field of mechanical design and manufacturing， this technology directly subverts the traditional mechanical manufacturing， plays an important role in the processing and manufacturing of parts and components， and effectively improves production efficiency and production quality， so it has become an important technical means for enterprises to promote and apply in the field of mechanical design and manufacturing. Based on this， this paper analyzes the application of 3D printing technology in the field of mechanical design and manufacturing.

關(guān)鍵詞：打印技術(shù);機(jī)械設(shè)計(jì)制造;應(yīng)用

Key words： printing technology;mechanical design and manufacture;application

中圖分類號：TH122;TP391.73? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0181-02

0? 引言

3D打印的技術(shù)優(yōu)勢主要是可一體成型、無銜接，而且3D打印成品較少分割部件，部件之間智能關(guān)聯(lián)性高沒進(jìn)一步提高快了機(jī)械設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品的整體性。在當(dāng)前的機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，隨著各種新技術(shù)與新材料的應(yīng)用，各種體積微小、精度較高的產(chǎn)品投入生產(chǎn)之中，因此加強(qiáng)3D打印技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一個(gè)包括光電、計(jì)算機(jī)、原材料、液壓等行業(yè)所組成的快速成型技術(shù)，其具體的工作原理如下：一是要計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)出要打印的物體的三維電子模型，并通過現(xiàn)有的一些畫圖軟件（CAD、3Dmax）來設(shè)定好該模型的形狀和各個(gè)尺寸;二是將計(jì)算機(jī)與3D打印機(jī)相連，打印機(jī)會(huì)層層分割建立好的三維圖形信息;三是根據(jù)分割之后的每層平面的信息確定打印路徑并逐層打印，直到最終成型。該項(xiàng)打印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中使用的并不是傳統(tǒng)打印中使用的水墨材料，而是粉末狀或絲狀塑料以及玻璃、面粉和尼龍等物質(zhì)，在此基礎(chǔ)上將計(jì)算機(jī)內(nèi)虛擬的三維圖形轉(zhuǎn)化成具體的實(shí)物，是一種增材制造與快速成型的高科技技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中可以做好隨時(shí)生產(chǎn)，不會(huì)受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的制約等，而且增材制造減少了材料的浪費(fèi)，既保證生產(chǎn)質(zhì)量與效率，還降低了生產(chǎn)成本。

2? 3D打印技術(shù)對機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的影響

2.1 推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展

3D打印技術(shù)能夠快速地將概念產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品，并且對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行修改和調(diào)整，這一生產(chǎn)方式突破了傳統(tǒng)生產(chǎn)放肆的桎梏，也激發(fā)了技術(shù)人員的創(chuàng)新意識，使得產(chǎn)品更新的速度大大提高，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期大大縮短，設(shè)計(jì)成本大大降低。因此有力的推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2.2 緩解機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)能過剩的問題

產(chǎn)能過剩的問題目前普遍存在于傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)中，這主要是因?yàn)楫a(chǎn)品的同質(zhì)化非常嚴(yán)重以及生產(chǎn)技術(shù)水平不高導(dǎo)致出口受阻，而國內(nèi)的消費(fèi)市場又無法短時(shí)間內(nèi)消化這些產(chǎn)品，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的資源浪費(fèi)，同時(shí)企業(yè)的資金流動(dòng)也因此出現(xiàn)問題。在這種情況下，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定制化生產(chǎn)的功能有效的幫助廣大企業(yè)度過這一難關(guān)，而且3D打印技術(shù)為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了便捷性，環(huán)保效益還特別顯著，有效地緩解了機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩的問題。

2.3 降低生產(chǎn)成本，提升經(jīng)濟(jì)效益

我國市場廣闊，再加上經(jīng)濟(jì)全球化的影響，國際市場也成為我國廣大機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)競相爭奪的舞臺(tái)，面對變幻莫測的國內(nèi)外市場環(huán)境，越來越多的企業(yè)想方設(shè)法的要提高生產(chǎn)力，降低生產(chǎn)成本，提高利潤空間，在這種情況下，采用科學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)至關(guān)重要。因此3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用成為現(xiàn)代企業(yè)提高自身競爭力的重要技術(shù)手段，在該項(xiàng)技術(shù)的支持下，能夠使產(chǎn)品在各種因素下快速高效地集成并且成產(chǎn)，從而降低設(shè)計(jì)成本，而且生產(chǎn)前階段制造項(xiàng)目的審查和測試也能夠通過該項(xiàng)技術(shù)完成，避免后期產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)的修改工作，簡化了生產(chǎn)流程，降低各種人力、財(cái)力、物理等資源的投入，因此降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效益。

3? 3D打印技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 調(diào)整機(jī)械制造業(yè)的主要格局

在3D打印技術(shù)的支持下，生產(chǎn)過程中不再需要機(jī)械加工，而是直接通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)來制造不同形狀的物體，相比原來的生產(chǎn)線來說，可以說是革命性的變化，即生產(chǎn)成本全面縮減、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期大幅度縮減、模具的成本大幅度減少、加工異形產(chǎn)品或復(fù)雜形狀產(chǎn)品的難度大幅度降低等等，這些變化的出現(xiàn)使得機(jī)械制造業(yè)的主要格局得到了有效的調(diào)整，如果將其全面應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，或許可以淘汰掉原來的生產(chǎn)加工線，但是由于打印架價(jià)格的昂貴，大多數(shù)企業(yè)還無法利用3D打印技術(shù)開展整機(jī)生產(chǎn)。除此以外，3D打印也會(huì)調(diào)整零配件供應(yīng)手段，以此來控制地域壟斷，比如某一公司所生產(chǎn)的異性產(chǎn)品，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線無法將其中的零件生產(chǎn)出來，必須要運(yùn)用打印技術(shù)，這就會(huì)導(dǎo)致一些企業(yè)無法生產(chǎn)這一產(chǎn)品，市場競爭力自然也會(huì)下降。但是這種定制化趨勢也會(huì)為一些中小企業(yè)的制造廠家?guī)硪欢ǖ膬?yōu)勢，這部分廠家可以借助3D打印技術(shù)來開展定制化生產(chǎn)，通過個(gè)性化需求迎合來換取客戶的滿意，起到降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，加快設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性和安全性的作用，相比于大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來說，這一生產(chǎn)行為能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造通常需要企業(yè)眾多的人力以及雄厚的資金支持，期間需要嚴(yán)格按照客戶的需求以及實(shí)際應(yīng)用效果不斷進(jìn)行修整，在這一過程中，傳統(tǒng)的制造工業(yè)也無法全面保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，因此有可能會(huì)出現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)成本增加且利潤空間縮小的問題。而3D打印技術(shù)的普及應(yīng)用能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中所存在的弊端，生產(chǎn)過程簡單，不需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力與物力，僅僅需要計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)即可，而且產(chǎn)品制造的周期縮短，在保證質(zhì)量的同時(shí)大大促進(jìn)了產(chǎn)品制造效率的提升，為企業(yè)帶來了更多的效益。除此以外，一些零部件生產(chǎn)的精度要求和質(zhì)量要求比較高，因此通常會(huì)在加工完成后進(jìn)行多洗的檢驗(yàn)工作，還有一些零部件形狀不一，復(fù)雜多樣，無法進(jìn)行量化生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率比較低，因此可以通過3D技術(shù)的應(yīng)用來簡化生產(chǎn)過程，保證其生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)還能夠提高生產(chǎn)速度。比如在一些航空類的零部件生產(chǎn)中，由于形狀各異、生產(chǎn)要求高，3D打印技術(shù)只需要三個(gè)零件就可以完成制造工作，零件的質(zhì)量也可以有效的保證。

3.3 縮短了機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期

現(xiàn)代社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展的階段，因此機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的市場發(fā)展前景比較廣闊，同樣，消費(fèi)者的消費(fèi)需求以及消費(fèi)傾向也隨著復(fù)雜的市場環(huán)境處于不斷的變化當(dāng)中，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也越來越快，在這種情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造企業(yè)必須要采取措施來應(yīng)對產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。就傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程來說，其需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)修正、產(chǎn)品上市等一系列的環(huán)節(jié)，不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間，市場競爭力也會(huì)受到影響，而且在生產(chǎn)一些難度比較高的產(chǎn)品上還需要多種設(shè)備的合力生產(chǎn)，進(jìn)一步增高了生產(chǎn)成本，影響到市場的供求關(guān)系，甚至在生產(chǎn)期間又會(huì)出現(xiàn)別的新產(chǎn)品。因此，通過采用3D打印技術(shù)可以獨(dú)立完成產(chǎn)品的生產(chǎn)，不需要依托于各種設(shè)備的合作，極大地節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，這樣就可以讓工作者有更多的時(shí)間可以進(jìn)行產(chǎn)品的檢驗(yàn)以及完善，因此可以有效提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，從而提高企業(yè)的市場競爭力水平。

4? 3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

4.1 打印材料的多樣化

材料是打印產(chǎn)品的基礎(chǔ)，目前3D打印材料從類型上具體可以分為金屬耗材、塑料耗材，其中金屬材料的占比正在不斷的擴(kuò)張當(dāng)中，但是基于金屬材料的性能來說，其主要是用于磨具的生產(chǎn)。除此以外，其他材料種類的局限性也比較高，導(dǎo)致3D打印技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用還沒有完全普及。因此在未來的發(fā)展過程中，3D打印的材料一定會(huì)向著多樣化的趨勢發(fā)展，新型材料的研發(fā)能夠使得打印機(jī)能夠適用于更多產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。

4.2 打印技術(shù)的創(chuàng)新

我國在3D打印技術(shù)的應(yīng)用上雖然已經(jīng)逐漸普及，并且在航天、汽車、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，但是綜合來看該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平仍舊與西方的一些發(fā)達(dá)國家存在一定的差距，這主要是因?yàn)?D打印機(jī)的技術(shù)研發(fā)水平不高，因此經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)生也有著一定的局限性，因此在未來的發(fā)展過程中應(yīng)該更加重視打印技術(shù)的研發(fā)，進(jìn)一步提高打印速度、打印產(chǎn)品的精度、打印產(chǎn)品的種類，并提高打印過程的智能化水平。

4.3 應(yīng)用范圍的擴(kuò)展

3D打印技術(shù)在不少領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但是在某些領(lǐng)域的應(yīng)用并不普及，比如食品行業(yè)，目前僅有極少數(shù)種類的食品的制作應(yīng)用到了3D打印技術(shù)。因此隨著未來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍也必定會(huì)新一步擴(kuò)大，從而在各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，促進(jìn)行業(yè)水平的提高。

4.4 打印機(jī)價(jià)格的控制

雖然3D打印節(jié)省了材料，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，使得生產(chǎn)成本大大降低，但是3D打印機(jī)的價(jià)格卻比較昂貴，尤其是一些性能較強(qiáng)、技術(shù)性且精度較高的打印機(jī)，價(jià)格昂貴，一些中小企業(yè)無法負(fù)擔(dān)，這也是導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)無法全面覆蓋使用的重要原因，因此，在未來的發(fā)展進(jìn)程中，需要不斷提高打印機(jī)的研發(fā)水平，以便降低其制作成本，從而實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)的全方位普及應(yīng)用。

5? 結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)如今在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)展現(xiàn)出其超常的優(yōu)勢，機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的廣大企業(yè)有必要加強(qiáng)對新技術(shù)的吸收，加強(qiáng)對先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，不斷提高3D打印技術(shù)的應(yīng)用效果，從而提高現(xiàn)代企業(yè)的核心競爭力水平，創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的格局，推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展。

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